JP2018205278A - 振動試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供試体Ｓの保持される振動台（例えばテーブル２）を直交３軸方向の並進運動および当該各軸周りの回動の６自由度で加振できるよう、複数（例えば８台）の加振機５を備えた振動試験装置１において、Ｚ軸加振機５による垂直方向への加振に伴い発生する共振による振動台の撓みを抑制し、振動試験の精度を向上させる。【解決手段】例えば４台のＺ軸加振機５をそれぞれの加振点Ｖｚが四角形の頂点をなすように配置する。それら４つの加振点が同一平面Ｐ上に位置するように４台のＺ軸加振機５を作動させて、振動台を加振する制御装置（コントローラ１０）を備える。【選択図】図７

Description

本発明は、振動台上に保持した供試体を水平２軸および垂直１軸の直交３軸方向の並進運動、並びに当該各軸周りの回転運動（回動）の６自由度で加振して、その振動特性などを試験できるようにした６自由度の振動試験装置に関する。

従来より、例えば自動車用のシート等の振動試験を行うために、それらの供試体を振動台上に保持して加振するようにした６自由度の振動試験装置が知られている。この種の振動試験装置を用いれば、実際の使用状態を模擬するように供試体を振動させながら、その性能や安全性などに関する試験を行うことができる。例えば特許文献１に記載の振動試験装置は、それぞれ振動台を加振する６台の加振機を備えている。

詳しくは、前記振動台のＸ軸方向一側には１台の水平Ｘ軸加振機が配設され、振動台をＸ軸方向に並進させるようになっている。また、Ｙ軸方向一側には２台の水平Ｙ軸加振機が横並びに配設され、振動台をＹ軸方向に並進させるとともに、Ｚ軸周りに回動させるようになっている。さらに、振動台の下方には３台の垂直Ｚ軸加振機が配設され、Ｚ軸方向に並進させるとともに、Ｘ，Ｙの各軸周りに回動させるようになっている。

特許第３１２３７８４号公報

ところで、前記従来例（特許文献１）の振動試験装置では、振動台の下方において３台の垂直Ｚ軸加振機を、それぞれの加振点が直角三角形の頂点をなすように配置している。こうすると、３つの加振点によって幾何学的に平面が決まることから、振動台をガタなく支持して加振することができる一方で、その加振に伴い振動台に変形、撓みが生じることは阻止し得ない。

すなわち、振動試験装置の振動台は通常、厚い金属板などによって頑丈に製造されているものの、その寸法形状に応じた共振モードを有しており、一例として図６には誇張して示すように、例えば１次の共振モードとして矩形状の振動台（図６の例ではテーブル２）の対角線の方向（図中、手前から奥への対角線の方向）に撓みを生じることになる。このように低次の共振によって生じる撓みは比較的振幅の大きなものとなるので、供試体の正確な加振を妨げるおそれがある。

本発明はこのような実情を考慮してなされたものであり、垂直方向への加振に伴い発生する共振による振動台の撓みを抑制し、振動試験の精度を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、まず、供試体が保持される振動台を直交３軸（水平Ｘ，Ｙ軸および垂直Ｚ軸）方向の並進運動および当該各軸周りの回転運動（回動）の６自由度で加振できるように、複数の加振機を備えた振動試験装置を対象としている。

そのために振動試験装置は、振動台の水平Ｘ軸方向一側に配置され、水平Ｘ軸方向に加振する少なくとも１台のＸ軸加振機と、振動台の水平Ｙ軸方向一側に配置され、水平Ｙ軸方向に加振する少なくとも２台のＹ軸加振機と、を備えている。なお、Ｘ軸およびＹ軸は水平面において互いに直交していればよく、その方向については特に限定されないので、少なくとも２台のＸ軸加振機と少なくとも１台のＹ軸加振機とを備えていてもよい。

また、振動試験装置は、振動台の垂直Ｚ軸方向一側において４つの加振点が四角形の頂点をなすように配置され、垂直Ｚ軸方向に加振する少なくとも４台のＺ軸加振機をさらに備えている。そして、前記振動台に制御振動を加えるためにＸ軸加振機、Ｙ軸加振機およびＺ軸加振機を作動させるときに、当該Ｚ軸加振機についてはそれらの加振点が同一平面上に位置するように制御する制御装置を備えている。

このように構成された振動試験装置では、制御装置によってＸ軸加振機、Ｙ軸加振機およびＺ軸加振機を作動させ、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の直交３軸方向、並びにこれら各軸周りの３方向の計６自由度で振動台を加振することができるので、この振動台に保持された供試体を、実際の使用状態を模擬するように振動させて、その性能や安全性など種々の特性に関する試験を行うことができる。

そうして振動台を加振すると、これに伴い振動台に共振が発生し、比較的大きな振幅の撓みが生じるおそれがあるが、前記の構成では振動台を支持する少なくとも４台のＺ軸加振機の加振点が、四角形の頂点をなすように配置され、加振時においても同一平面上に位置するように制御される。すなわち、３つの加振点によって決まる平面上に、他の少なくとも１つの加振点が位置するようになり、これにより振動台の撓みが抑制される。

上述したように振動台が矩形状をなす場合は、その対角線の方向に１次の共振モードによる比較的振幅の大きな撓みを生じることになるので、これを抑制するために、振動台の２つの対角線上に２つずつＺ軸加振機の加振点を配置することが好ましい。こうすれば、１次の共振モードによって振動台の対角線の方向に生じる比較的振幅の大きな撓みを効果的に抑制できる。

なお、その場合に４つの加振機の加振点を振動台の四隅に対応づけて配置してもよい。すなわち、矩形状の振動台の中央部分（例えば対角線の交点）と４つの隅部との中間に、その中央部分から同じ距離になるように加振点を配置してもよい。さらに、５台のＺ軸加振機を用いる場合には、４つの加振点の中央に加振点を追加すればよく、６台のＺ軸加振機を用いる場合には、隣り合う２つの加振点のうち、間隔の大きなものの中央に加振点を追加すればよい。こうすれば、振動台の撓みを抑制する効果がより高くなる。

そのように４つの加振点が同一平面上に位置するように４台の加振機を制御するために、前記制御装置は、剛体とみなした振動台の６自由度の振動状態を表す目標波形に基づいて、Ｘ軸加振機、Ｙ軸加振機およびＺ軸加振機を作動させればよい。そのためには前記制御装置に、Ｚ軸加振機を作動させる制御波形を、それぞれの加振点の座標から幾何学的に定まる変換行列を用いて、前記目標波形から生成する制御波形生成部を備えることが好ましい。

すなわち、振動台を剛体とみなせばその６自由度の運動、即ちＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向の並進およびそれら各軸周りの回動によって、振動台の振動状態を記述することができる。よって、それら６自由度の振動状態を表す目標波形に基づいて、４台のＺ軸加振機の４つの加振点に与えるべき制御波形を、それぞれの加振点の座標から定まる変換行列を用いて生成することができる。そして、この制御波形によって４台のＺ軸加振機を制御すれば、４つの加振点は同一平面上に位置するようになる。

ところで、前記振動台の６自由度の目標波形については、供試体に相当する物品の実際の使用状態を再現するものであることが望ましく、そのためには使用状態を模擬する実験を行うことが好ましい。すなわち、例えば自動車用のシートであれば、これを実際に自動車に装着して走行しながら、その複数カ所に配置した振動センサ（例えば加速度センサ）によって、実際に生じている振動波形（加速度波形）を計測する。

こうして計測したデータ、即ち振動波形から物品の６自由度の振動状態を表す目標波形を生成する場合、この物品を剛体とみなせば、複数の計測点の座標から幾何学的に定まる行列式を用いて、各計測点の振動波形を目標波形に変換することができる。この行列式は、前記したように剛体とみなした物品の６自由度の運動を、その各点の運動に変換する変換行列の逆行列となる。

但し、実際の物品は正確には剛体ではなく、その材質や形状などによって異なるものの、実際の使用状態では外力を受けて複雑に弾性変形する。このため、物品の複数の計測点でそれぞれ計測した振動波形には、剛体としての６自由度の振動に重畳して、物品の弾性変形によって各計測点に生じる局所的な振動も含まれるようになる。つまり、各計測点の振動波形には、弾性変形による局所的な振動の分、剛体としての６自由度の振動からのずれが生じることになる。

この点を考慮すると好ましいのは、できるだけ多くの点で振動状態を計測し、そのデータ（振動波形）から局所的な振動の影響を取り除いて、物品の６自由度の振動状態を表す目標波形を生成することである。すなわち、前記の制御装置においては、物品の少なくとも７点で計測した振動波形を、当該各点の座標から定まるムーア・ペンローズの一般逆行列を用いて前記目標波形に変換する、目標波形生成部を備えることが好ましい。

詳しくは、まず、少なくとも７点で計測した振動波形にはそれぞれ、上述したように物品の弾性変形による局所的な振動の影響が含まれているので、この物品を剛体とみなした変換行列の逆行列でもって目標波形に変換することはできない。６自由度の振動状態を表す６つの振動波形に対して、計測点の振動波形との関係を表す式が７つ以上、存在することになるので、唯一解を与える正則行列が存在しないからである。

このような場合にムーア・ペンローズの一般逆行列を用いれば、最小二乗解、即ち７つ以上の振動波形からのずれの合計が最小となるような６つの振動波形（６自由度の目標波形）が得られる。このことは、前記のように物品の実際の使用状態でその７点以上で計測したデータ、即ち振動波形から、局所的な振動による影響をできるだけ均等に取り除いて、当該物品の６自由度の振動状態を表す目標波形が生成されるということである。

よって、こうして生成された目標波形に基づいて加振機を制御し、振動台を加振すれば、これに保持されている供試体が全体としては剛体のように６自由度で振動しながら、それ自体の弾性変形による局所的な振動も発生するようになる。そして、供試体の各部において前記の剛体的な振動と弾性変形による局所的な振動が重畳することによって、実際の使用状態を再現し、振動試験の精度を向上できる。

さらに、そうして高精度の振動試験を行う上で好ましいのは、前記加振機を、静磁場を生成するための励磁コイルと、この励磁コイルにより生成された静磁場による磁気回路および磁気ギャップを形成するためのヨークと、その磁気ギャップ内に配置された振動発生用のドライブコイルとを備え、前記励磁コイルに供給される直流電流と、前記ドライブコイルに供給される所定周波数の交流電流とによって振動を発生するように構成することである。

以上の如く本発明によれば、複数の加振機によって６自由度の振動試験を行う振動試験装置において、振動台を支持する少なくとも４台のＺ軸加振機の加振点を、四角形の頂点をなすように配置するとともに、加振時においても同一平面上に位置するようにそれらのＺ軸加振機を制御することにより、共振による振動台の撓みを抑制して、振動試験の精度を向上させることができる。

また、供試体に相当する物品の実際の使用状態を模擬する実験によって、７つ以上の計測点における振動波形を取得し、ムーア・ペンローズの一般逆行列によって６自由度の目標波形に変換することにより、振動台を剛体とみなして好適に加振する目標波形が得られる。そして、この目標波形に基づいて加振機を制御することで、振動台に保持した供試体をその使用状態を模擬するように振動させることができる。

本発明の実施形態に係る振動試験装置の概略構成を示す正面図である。 振動試験装置の概略構成を示す平面図である。 振動試験装置の概略構成を示す斜視図である。 Ｘ軸加振機の構造を示す縦断面図である。 テーブルの姿勢変化の一例を示す説明図である。 テーブルの共振による撓みを誇張して示すイメージ図である。 テーブルを剛体とみなして加振機を制御する振動試験の概念図である。 Ｚ軸加振機の制御によってテーブルの撓みを抑制した場合についての図６相当図である。 自動車用シートの各部に加速度センサを配設し、実際の使用状態で加速度波形を計測する説明図である。 振動試験によって供試体の所定部位に生じる加速度波形を、実際の使用状態で計測したものと対比して示す試験結果のグラフ図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１〜３に示すように振動試験装置１は、例えば自動車用のシートなどの供試体Ｓが保持されるテーブル２（振動台）を備え、このテーブル２を８台の加振機５によって加振することにより、水平２軸（Ｘ，Ｙ）および垂直１軸（Ｚ）の直交３軸方向の並進運動、並びにそれら各軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）周りの回動の６自由度で振動させて、その特性を試験することができる。

−振動試験装置の全体構成−
各図に表れているように振動試験装置１には、加振機５のメンテナンス時などにテーブル２を支持するためのフレーム３が設けられている。また、水平２軸（Ｘ，Ｙ）の４台の加振機５については、それらをテーブル２とほぼ同じ高さに設置するための加振機台４が設けられていて、その上部に加振機５の支持脚５０が取り付けられている。また、図３にのみ示すが、テーブル２の上面とほぼ同じ高さに作業用のフロアＦが設けられている。

なお、本実施形態では説明の便宜上、図１における左右方向（Ｘ軸方向）を前後方向と呼び、同図の右側を前側と呼ぶことがある。また、図２における上下方向（Ｙ軸方向）を左右方向と呼び、同図の上側を左側と呼ぶこともある。そして、図１における上下方向が垂直方向（Ｚ軸方向）であり、これは図２において紙面と直交する方向である。

本実施形態においてテーブル２は、例えばハニカム構造を有する金属性の厚板であって、図２のように上方から見ると矩形状をなし、その四辺がそれぞれＸ軸またはＹ軸の方向に延びている。そして、そのうちの一辺であるＸ軸方向の一側（図２の左側であって、前後方向の後側）に２台の加振機５（以下、Ｘ軸加振機５ともいう）が横並びに配設され、それぞれジョイント部６を介してテーブル２に連結されている。

これら２台のＸ軸加振機５を互いに同位相で作動させることにより、テーブル２を前進または後退させることが、即ちＸ軸方向に並進させることができる。また、２台のＸ軸加振機５を互いに逆位相で作動させれば、テーブル２をＺ軸周りに回動させることができる。同様にテーブル２のＹ軸方向の一側（図２の上側であって、左右方向の左側）にも２台の加振機５（以下、Ｙ軸加振機５ともいう）が横並びに配設されており、これにより、テーブル２をＹ軸方向に並進させたり、Ｚ軸周りに回動させたりすることができる。

さらに、テーブル２の下方には前後左右に２台ずつ並んで、合計４台の加振機５（以下、Ｚ軸加振機５ともいう）が配設されており、これによりテーブル２を垂直方向（Ｚ軸方向）に並進させたり、Ｘ軸やＹ軸の周りに回動させたりすることができる。すなわち、４台のＺ軸加振機５を全て同位相で作動させれば、テーブル２を垂直方向に並進させることができる。

一方、例えばＸ軸方向に並ぶ２台のＺ軸加振機５を同位相で作動させるとともに、Ｙ軸方向に並ぶ２台ずつについては逆位相で作動させることで、テーブル２をＸ軸周りに回動させることができる。同様に、Ｙ軸方向に並ぶ２台のＺ軸加振機５を同位相で作動させるとともに、Ｘ軸方向に並ぶ２台ずつについては逆位相で作動させることで、テーブル２をＹ軸周りに回動させることができる。

そのように８台の加振機５を作動させる制御は、図４に模式的に示すコントローラ１０（制御装置）によって行われる。すなわち、詳しくは後述するが、コントローラ１０によって８台の加振機５の作動を同期させ、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向および各軸周りの振動を連成させることによって、テーブル２およびこれに保持された供試体Ｓに対し、６自由度の振動を加えることができる。

−加振機の概略構成−
図４には例えばＸ軸加振機５について一例を示すように、本実施形態において加振機５は動電型の振動発生機として構成されており、２つの励磁コイル５１ａ，５１ｂ、ヨーク５２およびドライブコイル５３を備えている。ヨーク５２は、強磁性体によって形成された第１〜第３の３つのヨーク部５２ａ，５２ｂ，５２ｃを一体的に組み合わせてなり、第１ヨーク部５２ａの外周面と第２ヨーク部５２ｂの内周面との間に、磁気ギャップが形成されている。

そして、前記第２ヨーク部５２ｂの内周面に、その中心軸（即ち加振軸Ｌ）の方向に離隔した状態で前記励磁コイル５１ａ，５１ｂが並んで取り付けられている。励磁コイル５１ａ，５１ｂは、第３ヨーク部５２ｃと、第１ヨーク部５２ａの外鍔５２ｄとによって位置決めされている。なお、前記３つのヨーク部５２ａ，５２ｂ，５２ｃの材料としては、高透磁率で高強度の磁性材料、例えばＳＳ４００等の低炭素鋼を用いることができる。

また、ドライブコイル５３は、非磁性体からなる筒体５４の基端側（図４の左側）の外周面に巻回されており、励磁コイル５１ａ，５１ｂとヨーク５２との間の磁気ギャップ内に、それら励磁コイル５１ａ，５１ｂおよびヨーク５２とは非接触の状態で挿入されている。なお、筒体５４の材料としては、非磁性体の高強度の金属（例えばアルミニウム合金）や、合成樹脂（例えばカーボンファイバ）等を用いることができる。

それらのドライブコイル５３および筒体５４は、前後方向（Ｘ軸方向）にスライド可能に設けられている。すなわち、コントローラ１０によって電力増幅器などを介して励磁コイル５１ａ，５１ｂに直流電流を供給することにより、励磁コイル５１ａ，５１ｂを取り巻くヨーク５２内に磁気回路（静磁場）が生成される。ヨーク５２には上述したような磁気ギャップが形成されており、ここにも静磁場が生成される。

そして、磁気ギャップ内に配置されたドライブコイル５３に、コントローラ１０によって所定周波数の交流電流を供給することで、この交流電流と静磁場との相互作用（ローレンツ力）により、ドライブコイル５３が磁束の方向と直交する方向において、交互に向きの変化する力を受けるようになる。これによりドライブコイル５３および筒体５４は、交流電流の周波数に応じて前後方向に振動する。

こうして振動する筒体５４の先端側（図４の右側）は、以下に説明するジョイント部６（連結部）を介してテーブル２に連結されている。また、筒体５４の内部には、前記のようなドライブコイル５３および筒体５４の水平方向のスライドを案内する案内棒５５および複数のガイドローラ５６が設けられている。ガイドローラ５６は、第１ヨーク部５２ａの内壁面に支持されている。

−加振機の作動によるテーブルの姿勢の変化−
このような構造のＸ軸加振機５がコントローラ１０によって制御されて作動すると、ドライブコイル５３および筒体５４が一体となって前後方向（加振軸Ｌの方向であり、この場合はＸ軸方向）に往復動し、ジョイント部６を介してテーブル２をＸ軸方向に振動させるようになる。つまり、テーブル２およびその上に保持された供試体Ｓに対するＸ軸方向の水平加振が行われる。

また、図示はしないが同様にしてＹ軸加振機５やＺ軸加振機５が作動することにより、テーブル２および供試体ＳをＹ軸方向（左右方向）やＺ軸方向（垂直方向）に加振することができる。そして、それらＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの軸方向の並進および各軸周りの振動を連成させることによって、テーブル２および供試体Ｓを６自由度で加振することができる。

そうして６自由度で加振するときには、テーブル２がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の周りに回動して、水平面に対し傾斜するように姿勢が変化することがある。そこで、この姿勢変化を許容するために、８台の加振機５のそれぞれとテーブル２との間のジョイント部６は、加振軸Ｌの方向の力を伝達しながら、それ以外の方向の変位（例えば加振軸Ｌに直交する軸直方向のスライドや揺動など）を許容するようになっている。

具体的には前記図４に表れているように、ジョイント部６には、加振軸Ｌに直交するとともに、互いに直交する第１および第２のスライダ６１，６２と、ボールジョイント６３とが介設されている。これらのスライダ６１，６２およびボールジョイント６３は円錐台状のゴムブーツ６０に収容され、その小径の端部が加振機５の筒体５４に取り付けられている一方、大径の端部はテーブル２側のフランジ板６４に取り付けられている。

このように２つのスライダ６１，６２およびボールジョイント６３を組み合わせたジョイント部６においては、第１および第２のスライダ６１，６２において垂直方向（Ｚ軸方向）および左右方向（Ｙ軸方向）のスライドが許容され、ボールジョイント６３において加振軸Ｌに対する揺動が許容される。これにより、図５に一例を示すようにテーブル２の姿勢変化が許容される。

すなわち、同図（ａ）に表れているようにテーブル２の前側（図の右側）が下がって、後側が上がるときには、Ｘ軸加振機５のジョイント部６において第１のスライダ６１がスライドし、テーブル２の上方への変位を許容しながら、同時にボールジョイント６３が下向きに揺動することによって、前記のようなテーブル２の傾き（姿勢の変化）が許容される。また、Ｚ軸加振機５のジョイント部６においても第１のスライダ６１がスライドするとともに、ボールジョイント６３が前向きに揺動する。

一方、同図（ｂ）に表れているようにテーブル２の後側（図の左側）が下がって、前側が上がるときには、Ｘ軸加振機５のジョイント部６において第１のスライダ６１がスライドし、テーブル２の下方への変位を許容しながら、ボールジョイント６３は上向きに揺動する。また、Ｚ軸加振機５のジョイント部６においても第１のスライダ６１がスライドするとともに、ボールジョイント６３が後向きに揺動して、前記のようなテーブル２の傾き（姿勢の変化）が許容される。

−コントローラ−
そのように６自由度でテーブル２を加振するために振動試験装置１には、８台の加振機５（２台のＸ軸加振機５、２台のＹ軸加振機５および４台のＺ軸加振機５）の作動を制御するコントローラ１０が設けられている。このコントローラ１０は一例として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびバックアップＲＡＭなどを備えた公知の電子制御ユニットからなり、電力増幅器なども内蔵している。

コントローラ１０のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された種々の制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶し、バックアップＲＡＭは例えば電源オフ時に保存すべきデータ等を記憶する。そして、コントローラ１０が種々の制御プログラムを実行することにより、各種の演算処理が行われて以下のように加振機５が制御される。

例えばコントローラ１０が２台のＸ軸加振機５を同位相で作動させ、テーブル２をＸ軸方向に並進させることで、このテーブル２上に保持された供試体Ｓに対するＸ軸方向の水平加振が行われる。同様に２台のＹ軸加振機５や４台のＺ軸加振機５をそれぞれ同位相で作動させることで、テーブル２および供試体ＳをＹ軸方向（左右方向）やＺ軸方向（垂直方向）に加振することができる。

また、いずれかの加振機５を逆位相で作動させることで、テーブル２および供試体ＳをＸ，Ｙ，Ｚの各軸周りに回動するように加振することができる。例えばＹ軸方向に並ぶ２台のＺ軸加振機５を同位相で作動させるとともに、Ｘ軸方向に並ぶ２台ずつについては逆位相で作動させることで、前記の図５に表れているようにテーブル２をＹ軸周りに回動するように加振することができる。

ここで、そうして６自由度でテーブル２を加振するためにその下方の４台のＺ軸加振機５を作動させると、これに伴いテーブル２に撓みが生じるおそれがある。テーブル２は極めて剛性の高い金属性の厚板であり、Ｘ軸やＹ軸の方向については加振に伴う撓みは無視することができるが、Ｚ軸方向については以下に説明するように膜振動の共振モードによって無視できない大きさの撓みが発生するのである。

すなわち、図６には一例としてＦＥＭの解析結果を誇張して示すように、矩形状のテーブル２において、その撓みの振幅が最大になる１次の共振モードは、対角線の方向に生じる。図示の例ではテーブル２の四隅のうち、図において手前および奥の２つの隅部が仮想の平面Ｐよりも上方に跳ね上がるような状態を示しており、このような撓みの振幅が比較的大きなものとなることから、テーブル２に保持した供試体Ｓの正確な加振を妨げるおそれがあった。

これに対し本実施形態では、図１〜３に表れているように４台のＺ軸加振機５をテーブル２の下方に前後左右に２台ずつ並べで配設しており、それらの加振点Ｖｚはテーブル２の対角線上に配置され、四隅に対応するように位置している。そして、それら４台のＺ軸加振機５を作動させてテーブル２を６自由度で加振するときにも、４つの加振点Ｖｚが同一平面（前記の平面Ｐ）上に位置するように制御することによって、前記のような撓みを抑制することができる。

詳しくは図７に模式的に示すように、４つの加振点Ｖｚ（図７では位置によって区別して、Ｖｚfr〜Ｖｚrlと示す）が同一平面Ｐ上に位置するように、４台のＺ軸加振機５を作動させる。こうすると、図６を参照して前述したように１次の共振によってテーブル２に大きな撓みが生じ、手前および奥の２つの隅部が平面Ｐから上方に跳ね上がろうとするときに、これを抑制するような力が４つの加振点Ｖｚにおいて発生する。

すなわち、図８に誇張して示すように、この図において手前および奥に位置するテーブル２の２つの隅部が共振によって仮想の平面Ｐから上方に跳ね上がろうとするときには、これらの隅部に対応する加振点Ｖｚ（図７を参照）に下向きの力Ｆ１が加わるようになり、反対に仮想の平面Ｐから下方に沈み込もうとする同図の左側および右側の２つの隅部には、これに対応する加振点Ｖｚに上向きの力Ｆ２が加わるようになって、テーブル２の撓みが抑制されるのである。

言い換えると、図８において例えば左右の２つの加振点Ｖｚ（図７を参照）と、奥の１つの加振点Ｖｚとの計３点で決まる仮想の平面上に、図の手前の加振点Ｖｚが位置するように、４台のＺ軸加振機５が制御されることになる。これにより、テーブル２にはその四隅を同一平面Ｐ上に位置付けるような力が作用し、前記のような共振モードによる撓みを抑制することができるのである。

−加振制御波形の生成−
そうして４つの加振点Ｖｚが同一平面Ｐ上に位置するように、４台のＺ軸加振機５を同期して作動させるために、本実施形態においてコントローラ１０は、テーブル２を剛体とみなして、その６自由度の振動状態を表す以下の目標波形（Ａ6dof）、即ち例えば６つの加速度波形を算出する。そして、この目標波形に基づいてＸ軸加振機５、Ｙ軸加振機５およびＺ軸加振機５の制御を行う。

すなわち、コントローラ１０は、８台の加振機５（２台のＸ軸加振機５、２台のＹ軸加振機５および４台のＺ軸加振機５）のそれぞれに対して出力する制御波形（Ａref）を、それら各加振機５の加振点Ｖｚの座標から幾何学的に定まる変換行列［Ｔｒ］を用いて、前記の目標波形（Ａ6dof）から生成する。言い換えるとコントローラ１０は、そのような演算を行うプログラムの態様として制御波形生成部１０ａを備えている。

より具体的には、一例として図７に表れているように直交座標系の原点（０，０，０）をテーブル２の中心部、即ち、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての方向についての中央位置に設定する。こうすると、テーブル２の剛体変位の６自由度は、Ｘ，Ｙ，Ｚ，θx，θy，θzとなり、その６自由度の振動状態を表すテーブル２の目標波形（例えば加速度波形）は、（Ａ6dof）＝（ａｘ，ａｙ，ａｚ，ａθx，ａθy，ａθz）と表される。

この直交座標系において４台のＺ軸加振機５のそれぞれの加振点Ｖｚを、テーブル２における前後左右の位置に応じてＶｚfr、Ｖｚfl、Ｖｚrr、Ｖｚrlと表すと、例えば前方右側の加振点Ｖｚfr（図７の右側の加振点）の座標は（ｄ，ｄ，−ｈ／２）となる。なお、４台のＺ軸加振機５は、それぞれの加振点Ｖｚを原点（０，０，０）からＸ軸方向およびＹ軸方向に“ｄ”だけ離して配置しており、テーブル２の厚みを“ｈ”としている。

そして、その「前方右側の」Ｚ軸加振機５の制御波形ａzfr、即ち「前方右側」の加振点Ｖｚfrに加えるべきＺ軸方向の加速度波形は、前記６自由度の目標波形（Ａ6dof）におけるＺ軸並進成分ａｚ、並びにＸ軸およびＹ軸周りの回動成分ａθx，ａθyを用いて幾何学的に、 ａzfr＝ａｚ−ｄ・θx＋ｄ・θy … 式（１） と表される。なお、説明の便宜上、回動角度θx，θyがいずれも小さいことから、ｄsinθ＝ｄ・θとしており、また、Ｘ軸加振機５やＹ軸加振機５の作動による影響は無視している。

同様にして「前方左側」「後方右側」「後方左側」のそれぞれの加振点Ｖｚfl、Ｖｚrr、Ｖｚrlへの制御波形は、以下のように表される；
ａzfl ＝ ａｚ＋ｄ・θx＋ｄ・θy … 式（２）
ａzrr ＝ ａｚ−ｄ・θx−ｄ・θy … 式（３）
ａzrl ＝ ａｚ＋ｄ・θx−ｄ・θy … 式（４）。

さらに、詳しい説明は省略するが、２台のＸ軸加振機５の２つの加振点Ｖｘ1，Ｖｘ2、および２台のＹ軸加振機５の２つの加振点Ｖｙ1，Ｖｙ2にそれぞれ加えるべき制御波形についても、前記と同様にして幾何学的に以下の式（５）〜（８）が得られる。

ａx1 ＝ ａｘ＋ｄ・θz … 式（５）
ａx2 ＝ ａｘ−ｄ・θz … 式（６）
ａy1 ＝ ａｙ＋ｄ・θz … 式（７）
ａy2 ＝ ａｙ−ｄ・θz … 式（８）。

そして、以上の式（１）〜（８）をまとめて、８台の加振機５のそれぞれを制御するための制御波形（Ａref）＝（ａx1，ａx2，ａy1，ａy2，ａzfr，ａzfl，ａzrr，ａzrl）を、前記の目標波形（Ａ6dof）＝（ａｘ，ａｙ，ａｚ，ａθx，ａθy，ａθz）から求める８行６列の変換行列［Ｔｒ］が得られる。つまり、８つの加振点の座標から幾何学的に定まる変換行列［Ｔｒ］を用いて、６自由度の目標波形（Ａ6dof）から各加振点の制御波形（Ａref）が生成される。

こうして生成された制御波形（Ａref）に相当する制御信号が、コントローラ１０から８台の加振機５に出力され、その作動によってテーブル２が６自由度で加振される。このとき、４台のＺ軸加振機５においては、４つの加振点Ｖｚfr〜Ｖｚrlが同一平面Ｐ上に位置するように制御されることになり、これにより、図８を参照して上述したようにテーブル２の共振モードによる撓みが抑制される。

−目標波形の生成−
次に、上述した目標波形（Ａ6dof）の生成について説明する。本実施形態では、供試体Ｓとして例えば自動車用のシートを用いる場合について説明するので、以下ではこれをシートＳと記載することもある。そして、前記目標波形（Ａ6dof）は、シートＳの実際の使用状態を模擬する実験を行って、計測された振動波形、例えば加速度波形（Amea）のデータから生成するようにしている。なお、振動波形は、変位または速度の波形であってもよい。

具体的には、一例を図９に示すようにシートＳの所定部位に加速度センサ１１を配設し、このシートＳを実際に自動車に装着して、走行中にシートクッションＳＣやシートバックＳＢにおいて発生する振動を計測する。図示の例ではシートクッションＳＣの前部の左右両側の２点、中央の１点、および後部の左右両側の２点の計５点と、シートバックＳＢの上部の左右両側の２点、および中間部の左右両側の２点の計４点と、の合計９点にそれぞれ加速度センサ１１を配設している。

このように多くの点で計測する理由は、シートＳが剛体ではなく、その構造や材質などによって異なるものの、自動車の走行中の振動によって複雑に弾性変形するからである。こうしてシートＳの各部が複雑に弾性変形すると、例えばシートバックＳＢの上半部の共振によって、乗員に不快な振動を感じさせることがあり、或いはその下半部の共振によってきしみ音が発生することもある。

そこで、前記のように９点に配設した加速度センサ１１によってそれぞれ計測した加速度波形ａ1〜ａ9を１組として、自動車の走行条件に対応付けてコントローラ１０のＲＡＭまたはバックアップＲＡＭに記録する。そして、こうして得られたデータ、即ち加速度波形（Amea）＝（ａ1，ａ２，…ａ9）からシートＳの６自由度の振動状態を表す前記の目標波形（Ａ6dof）を生成するのである。

その際、仮にシートＳが剛体であるとすれば、その６自由度の目標波形（Ａ6dof）を９つの計測点の加速度波形（Amea）に変換する９行６列の行列式［Ｔｍ］は、前述の如く目標波形（Ａ6dof）を８つの加振点の制御波形（Ａref）に変換する８行６列の行列式［Ｔｒ］と同様に、計測点の座標によって決まる。よって、その逆行列［Ｔｍ^-1］を用いて前記加速度波形（Amea）を変換し、シートＳの目標波形（Ａ6dof）を求めることができる。

しかしながら、前記したようにシートＳは剛体ではなく、外力を受けて複雑に弾性変形するので、９つ点でそれぞれ計測された加速度波形（ａ1，ａ２，…ａ9）には、シートＳ全体の剛体としての振動に重畳して、弾性変形によって各計測点に生じる局所的な振動も含まれるようになる。つまり、９つの計測点の加速度波形（Amea）には、弾性変形による局所的な振動の分、シート６全体の６自由度の振動からのずれが生じている。

この点を考慮して本実施形態では、前記の加速度波形（Amea）から局所的な振動の影響をできるだけ均等に取り除いて、目標波形（Ａ6dof）を生成するようにしている。そのためには加速度波形（Amea）を、ムーア・ペンローズの一般逆行列［Ｔｍ⁺］によって目標波形（Ａ6dof）に変換する。言い換えるとコントローラ１０は、そのような演算を行うプログラムの態様として目標波形生成部１０ｂを備えている。

詳しくは、まず、前記のように９点で計測した加速度波形（Amea）にはそれぞれ、上述したようにシートＳの弾性変形による局所的な振動の影響が含まれているので、これを完全な剛体とみなして逆行列［Ｔｍ^-1］によって目標波形（Ａ6dof）に変換することはできない。６自由度の振動状態を表す加速度波形（Amea）に対して、９つの計測点の加速度波形（Amea）との関係を表す式が９つ存在することになり、唯一解を与える正則な逆行列が存在しないからである。

この場合には９つの計測点から任意の６つを選び、６つの関係式によって加速度波形を求める正則な逆行列を特定することが考えられる。しかしながら、このような逆行列によって生成した目標波形（Ａ6dof）に基づいて実際にテーブル２を加振したところ、シートＳの一部の計測点に生じる振動が計測データから乖離しており、実際の使用状態を模擬するように加振できていないことが分かった。

図１０には、そのようにして生成された目標波形（Ａ6dof）に基づいて振動試験を行い、テーブル２に保持されたシートＳの所定部位において生じる振動を、実際の使用状態における振動と対比して示す。図示の４つのグラフはそれぞれ、シートＳの９つの計測点のうちの４つにおいて前記振動試験による加速度波形と、上述したように実際の使用状態で計測した加速度波形とを対比したものである。

詳しくは図１０の左上、左下、右下のグラフには、前記のように正則な逆行列を特定する際に選択した６つの計測点のうちの３点について示しており、これらの計測点においては、振動試験によって得られた加速度波形（一点鎖線のグラフ）が、実際の使用状態で計測されたもの（破線のグラフ）とよく一致している。つまり、振動試験によって実際の使用状態をよく再現できていることが分かる。

一方、図１０の右上のグラフには、逆行列を特定する際に選択しなかった３つの計測点のうちの１点について示しており、この計測点においては、振動試験によって得られた加速度波形（一点鎖線のグラフ）が、実際の使用状態で計測されたもの（破線のグラフ）から大きく乖離している。つまり、この計測点では振動試験によって実際の使用状態を再現できていないことが分かる。

これに対して本実施形態では、前記のように９つの計測点の加速度波形（Amea）をムーア・ペンローズの一般逆行列［Ｔｍ⁺］によって目標波形（Ａ6dof）に変換するようにしている。ムーア・ペンローズの一般逆行列［Ｔｍ⁺］は数学的には公知のものであり、詳しい説明は省略するが、これを用いれば、９つの計測点の加速度波形（Amea）からのずれの合計が最小となるような、即ち最小二乗解としての目標波形（Ａ6dof）が得られる。

言い換えると、シートＳの実際の使用状態において９つの計測点で計測した加速度波形（Amea）から局所的な振動による影響（ずれ）をできるだけ均等に取り除いて、当該シートＳの６自由度の振動状態を表す目標波形（Ａ6dof）を生成することができる。よって、この目標波形（Ａ6dof）に基づいてＺ軸加振機５を制御し、テーブル２を加振することで、シートＳを実際の使用状態を模擬するように加振することができる。

このように生成した目標波形（Ａ6dof）に基づいて、コントローラ１０により４台のＺ軸加振機５を制御し、テーブル２を垂直方向（Ｚ軸方向）に加振すると、これに保持されているシートＳは、全体としては剛体のように６自由度で振動しながら、その弾性変形による局所的な振動も発生し、それらが重畳することによって、シートＳの実際の使用状態における各部の振動状態が再現される。

このように生成した目標波形（Ａ6dof）に基づいてＺ軸加振機５を制御したときに、シートＳの所定部位に生じる加速度波形を前記図１０の４つのグラフにそれぞれ実線で表している。この図の左上、左下、右下のグラフだけでなく、右上のグラフにおいても実線のグラフは破線のグラフとよく一致しており、実際の使用状態における振動をよく再現できていることが分かる。

以上、説明したように本実施形態の振動試験装置１によれば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの加振機５の作動を同期させ、各軸方向および各軸周りの振動を連成させることによって、テーブル２および供試体（例えば自動車用のシートＳ）を６自由度で加振することができる。よって、そのシートＳを実際の使用状態を模擬するように振動させながら、性能や安全性などに関する試験を行うことができる。

また、シートＳなどの実際の使用状態を模擬する実験によって、その複数の計測点における振動波形（加速度波形：Ａmea）を取得し、これをムーア・ペンローズの一般逆行列［Ｔｍ⁺］によって変換することにより、局所的な振動の影響をできるだけ均等に取り除いて、テーブル２を好適に加振することのできる６自由度の目標波形（Ａ6dof）が得られる。

そして、その目標波形（Ａ6dof）に基づいて４台のＺ軸加振機５を制御することにより、それらを同期して作動させ、４つの加振点Ｖｚを加振時においても同一平面Ｐ上に位置するように制御することができ、これにより、共振によるテーブル２の撓みを抑制して、振動試験の精度を向上させることができる。

−他の実施形態−
上述した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。本発明の技術的範囲は、前記の実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

一例として前記の実施形態では、平面視で矩形状のテーブル２を下方から支持する４台のＺ軸加振機５を前後左右に２台ずつ並べて、それらの加振点Ｖｚをテーブル２の２つの対角線上に２つずつ配置しているが、これに限ることはない。例えば４台のＺ軸加振機５の加振点Ｖｚは四角形の頂点をなすように配置されていればよく、また、テーブル２は矩形状でなくてもよい。

また、前記の実施形態では、加振機５をテーブル２に連結するジョイント部６に、第１、第２のスライダ６１，６２およびボールジョイント６３を介設することによって、テーブル２の姿勢の変化を許容しているが、これにも限定されず、例えばロッドの両端部にボールジョイントを配設し、その一方を加振機５に、他方をテーブル２に連結することによって、ジョイント部を構成してもよい。

さらに、前記の実施形態における加振機５の構成も一例にすぎず、他の構成の加振機を用いてもよい。例えば加振機５の励磁コイルの数を変更してもよい。励磁コイルの代わりに永久磁石を用いてもよい。ヨークの組み合わせを他の組み合わせに変更してもよい。また、サーボモータを利用した加振機として構成してもよい。

なお、加振機５の好ましい構成としては、静磁場を形成するための励磁コイルと、励磁コイルにより形成された静磁場による磁気回路および磁気ギャップを形成するためのヨークと、磁気ギャップ内に配置された振動発生用のドライブコイルとを備えた動電型の構成が挙げられる。

さらにまた前記の実施形態では、自動車用のシートＳなどの物品の９点で計測した加速度波形（Ａmea）をムーア・ペンローズの一般逆行列［Ｔｍ⁺］によって、剛体と見なしたテーブル２の６自由度の目標波形（Ａ6dof）に変換するようにしているが、これにも限定されず、例えば９点から任意の６つの計測点を選び、６つの関係式によって特定される正則な逆行列によって目標波形（Ａ6dof）に変換するようにしてもよい。

また、前記の実施形態では、合計８台の加振機５を備えた振動試験装置１について説明したが、これにも限定されない。すなわち、例えばＸ軸加振機５またはＹ軸加振機５のいずれか一方を１台にしてもよいし、Ｚ軸加振機５については５台以上に増やしてもよい。

本発明は、６自由度の振動試験装置に適用して、垂直方向への加振に伴い発生する共振による振動台の撓みを抑制し、振動試験の精度を向上させることができるものであり、有益である。

１ 振動試験装置
２ テーブル（振動台）
５ 加振機（Ｘ軸加振機、Ｙ軸加振機、Ｚ軸加振機）
５１ 励磁コイル
５２ ヨーク
５３ ドライブコイル
１０ コントローラ（制御装置）
Ｐ Ｚ軸加振機の加振点が位置する仮想の平面
Ｓ 供試体（一例として自動車用のシート）
Ｖｚ Ｚ軸加振機の加振点

Claims (5)

1. 供試体が保持される振動台を直交３軸方向の並進運動および当該各軸周りの回転運動の６自由度で加振できるように、複数の加振機を備えた振動試験装置であって、
   前記振動台の水平Ｘ軸方向一側に配置され、水平Ｘ軸方向に加振する少なくとも１台のＸ軸加振機と、
   前記振動台の水平Ｙ軸方向一側に配置され、水平Ｙ軸方向に加振する少なくとも２台のＹ軸加振機と、
   前記振動台の垂直Ｚ軸方向一側において４つの加振点が四角形の頂点をなすように配置され、垂直Ｚ軸方向に加振する少なくとも４台のＺ軸加振機と、
   前記振動台に制御振動を加えるために前記Ｘ軸加振機、Ｙ軸加振機およびＺ軸加振機を作動させるときに、当該Ｚ軸加振機については、それらの加振点が同一平面上に位置するように制御する制御装置と、を備えることを特徴とする振動試験装置。
2. 請求項１に記載の振動試験装置において、
   前記振動台が平面視で矩形状をなし、その２つの対角線上に２つずつ、前記Ｚ軸加振機の加振点が位置していることを特徴とする振動試験装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の振動試験装置において、
   前記制御装置は、剛体とみなした前記振動台の６自由度の振動状態を表す目標波形に基づいて、前記Ｘ軸加振機、Ｙ軸加振機およびＺ軸加振機を作動させるものであって、前記Ｚ軸加振機を作動させる制御波形を、それぞれの加振点の座標から定まる変換行列を用いて前記目標波形から生成する制御波形生成部を備えている、ことを特徴とする振動試験装置。
4. 請求項３に記載の振動試験装置において、
   前記目標波形は、供試体に相当する物品の実使用状態を模擬する実験によって生成されるものであり、
   前記制御装置は、前記実験において物品の少なくとも７点で計測した振動波形を、当該各点の座標から定まるムーア・ペンローズの一般逆行列を用いて、前記目標波形に変換する目標波形生成部を備えている、ことを特徴とする振動試験装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動試験装置において、
   前記加振機は、静磁場を生成するための励磁コイルと、この励磁コイルにより生成された静磁場による磁気回路および磁気ギャップを形成するためのヨークと、その磁気ギャップ内に配置された振動発生用のドライブコイルとを備え、前記励磁コイルに供給される直流電流と、前記ドライブコイルに供給される所定周波数の交流電流とによって振動を発生するように構成されていることを特徴とする振動試験装置。